9月20日22時08分，在制導導航與控制(GNC)系統的控制下，天舟三號貨運飛船與天和核心艙完成全自主快速交會對接。整個過程歷時約6.5小時。
天舟三號貨運飛船由中國航天科技集團五院抓總研制。作為貨運飛船的第二次應用性飛行，與天舟二號一樣，天舟三號和空間站對接亦采用“全相位全自主快速交會對接方案”，即飛船無論是遠距離導引還是近距離交會，都是全自主智能完成，全程無人工干預。天舟三號較天舟二號在交會對接時間上確有差別，但只是初始條件不同而無能力高低之別。
相較于天舟二號，天舟三號進行了多項技術升級和配置優化，如將制導導航與控制系統的控制器硬件進行性能升級，計算能力大幅提升，控制器軟件優化設計多項功能，進一步提高飛船在復雜工況下的全自主能力。天舟三號增刪和升級了部分設備，在提高系統可靠性的同時降低成本。
天舟三號與核心艙的成功對接全面驗證了各項技術升級的正確性，是全相位全自主快速交會對接技術的又一次成功實踐。隨著空間站從建造階段到長期運營階段的過渡，在已經實現的設計、測試、發射等流程標準化基礎上，貨運飛船系列型譜將趨于標準化。
后續，天舟貨運飛船GNC系統將采用相同的標準化系統配置，以適應后續貨運飛船批量化研制。該系統也將更加成熟穩定，更適應空間站長期高頻次貨物運輸需求。
